DE10029579B4 - Method for orienting the load in crane installations - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Orientierung der Last in Krananlagen (1), bei dem die an Seilen aufgehängte Last um einen bestimmten absoluten Winkel (γ) mit einem Drehwerk, das zwischen der an der Seilaufhängung (2) angeordneten Unterflasche (4) und dem Lastaufnahmemittel (3) angeordnet ist und zum Drehen der Last dient, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung für das Drehwerk Torsionsschwingungen der Last unterdrückt, wobei als Eingangsgröße die absolute Drehwinkelgeschwindigkeit (γ .) über einen Gyroskopsensor gemessen wird, die Winkelposition (c) des Drehwerks und die Seillänge (lS) gemessen werden und auf den Stelleingang zurückgeführt werden.Method for orienting the load in crane installations (1), in which the load suspended on ropes is moved by a specific absolute angle (γ) with a slewing mechanism arranged between the lower bracket (4) arranged on the cable suspension (2) and the load receiving means (3) is arranged and used for rotating the load, characterized in that a control for the slewing suppresses torsional vibrations of the load, as input the absolute rotational angular velocity (γ.) Via a gyroscope sensor is measured, the angular position (c) of the slewing gear and the rope length ( l S ) are measured and returned to the control input.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Orientierung der Last in Krananlagen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for orienting the load in cranes according to the preamble of
Um einen effizienten Materialfluß zu gewährleisten, sind die meisten Krane mit einem besonderen Lastaufnahmemittel an der Unterflasche des Lastseiles ausgerüstet. Das Lastaufnahmemittel variiert in Abhängigkeit von den Gütern, die transportiert werden sollen. Beispielsweise dient ein Containerspreader als Lastaufnahmevorrichtung für Container. Soweit es sich bei dem Transportgut um ein asymmetrisches Objekt handelt, ist eine Orientierung der Last am Zielpunkt erforderlich. Unter Orientierung versteht man, daß die Last am Zielpunkt um einen definierten Winkel gedreht wird. Hierzu wird im Lastaufnahmemittel zwischen Seilaufhängungspunkt und der Greifvorrichtung für die Last ein Drehwerk eingebaut.To ensure efficient material flow, most cranes are equipped with a special load handling attachment on the bottom strap of the load rope. The load handling means varies depending on the goods to be transported. For example, a container spreader serves as a load handling device for containers. As far as the cargo is an asymmetrical object, an orientation of the load at the destination point is required. Orientation means that the load at the target point is rotated by a defined angle. For this purpose, a slewing gear is installed in the load receiving means between the cable suspension point and the gripping device for the load.
Wird nun ein derartiges Drehwerk betätigt, so kann durch zu schnelles Drehen der Last eine Torsionsschwingung hervorgerufen werden, die von einem geübten Kranfahrer durch eine gezielte Gegenbewegung des Drehwerkes gedämpft werden kann. Dabei hängt es von der Erfahrung und dem Geschick des jeweiligen Kranfahrers ab, wie schnell er eine derartige Torsionsschwingung ausgleichen kann. Beispielsweise kann bei entsprechender Windbelastung eine entsprechenden Torsionsschwingung auch von außen angeregt werden. Diese überlagerten Torsionschwingungen können nur sehr schwer vom Kranfahrer ausgeglichen werden.Now, if such a slewing actuated so can be caused by too fast rotation of the load a torsional vibration, which can be damped by a skilled crane operator by a targeted countermovement of the slewing gear. It depends on the experience and the skill of the crane operator, how quickly he can compensate for such a torsional vibration. For example, with appropriate wind load, a corresponding torsional vibration can also be excited from the outside. These superimposed torsional vibrations are very difficult to be compensated by the crane operator.
Bekannt sind bereits Verfahren zur Unterdrückung von Pendelschwingungen bei Lastkranen.Methods are already known for the suppression of pendulum vibrations in load cranes.
So beschreibt die
Die
Aus der
Um einen Lastkörper schnellstmöglich vom Standort zum Zielort transportieren zu können, schlägt die
Bei dem aus der
Das aus der
Die
Die aus der
Bei der
Auch die
Alternativ zu diesem Verfahren schlägt ein anderer Ansatz, der beispielsweise aus der
In der nicht vorveröffentlichten
Keines der zuvor beschriebenen Verfahren befaßt sich mit der eingangs geschilderten Problematik der Torsionsschwingungen bei der Betätigung des Drehwerks.None of the methods described above is concerned with the initially described problem of torsional vibrations in the operation of the slewing gear.
Aus der
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Orientierung der Last in Krananlagen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, mit dem eine Last ohne Anregung von Torsionsschwingungen auf eine definierte Winkelposition gedreht werden kann und mit dem eventuell extern angeregte Torsionsschwingungen wirksam gedämpft werden können.The object of the present invention is therefore to provide a method for orienting the load in cranes according to the preamble of
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit der Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst. Hier wird eine Regelung des Drehwerkes realisiert, die auf der Messung der absoluten Drehwinkelgeschwindigkeit mittels eines Gyroskopsensors und der Winkelposition der Drehachse des Drehwerkes basiert.According to the invention the object is achieved by a method with the feature combination of
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den sich an den Hauptanspruch anschließenden Unteransprüchen.Further details and advantages of the invention will become apparent from the subsequent claims to the main claim.
Demnach kann die Drehbewegung der Last und der Greifvorrichtung für die Last mit einem Gyroskopsensor erfasst werden. Da das Messignal bei verfügbaren Gyroskopsensoren teilweise stark verrauscht ist und durch Drift und Offset verfälscht wird, wird gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der Offset in einem sogenannten Störbeobachtermodul geschätzt und kompensiert. Ein Beobachter berechnet basierend auf dem idealisierten dynamischen Modell der Anordnung aus dem Sensorsignal des Gyroskopsensors die absolute Winkelstellung der Last.Thus, the rotational movement of the load and the gripping device for the load can be detected with a gyroscopic sensor. Since the measurement signal is partially noisy with available gyroscope sensors and is corrupted by drift and offset, according to a further advantageous embodiment of the invention, the offset is estimated and compensated in a so-called interference observer module. An observer computes the absolute angular position of the load based on the idealized dynamic model of the array of the sensor signal from the gyroscope sensor.
Bei der erfindungsgemäßen Regelung kann vorteilhaft ein Steueralgorithmus eingesetzt werden, bei dem in einem sogenannten Bahnplanungsmodul die Zeitfunktionen für die Sollposition, die Soll-Geschwindigkeit, die Soll-Beschleunigung, den Soll-Ruck und die Ableitung des Soll-Ruckes bildet. Diese Funktionen werden in einem Vorsteuerungsblock derart gewichtet auf das Kransystem aufgeschaltet, daß das resultierende Gesamtsystem aus Krandynamik und Vorsteuerung geschwindigkeitsgetreu, beschleunigungstreu, rucktreu und treu hinsichtlich der Ableitung des Ruckes arbeitet. Bei diesem Modell werden als zusätzlich veränderliche Parameter die Seillänge und die Lastmasse berücksichtigt. In the control according to the invention, a control algorithm can advantageously be used in which the time functions for the setpoint position, the setpoint speed, the setpoint acceleration, the setpoint jerk and the derivative of the setpoint jerk form in a so-called path planning module. These functions are so weighted in a feedforward block applied to the crane system, that the resulting overall system of Krandynamik and precontrol speed, true to the faithful, faithful and faithful to the derivative of the jerk works. In this model, the rope length and the load mass are considered as additional variable parameters.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:Further details and advantages of the invention will be explained in more detail with reference to an embodiment shown in the drawing. Show it:
In
Anhand der
Dies führt zu einem leichten Anheben der Last. Der diagonale Abstand der Tragseile zueinander beträgt dc. Durch die Verdrilling werden die Tragseile um den Winkel φ1drill ausgelenkt.This leads to a slight lifting of the load. The diagonal distance between the suspension cables is d c . By Verdrilling the suspension cables are deflected by the angle φ 1drill .
lS entspricht hier der Länge der Tragseile
Dadurch wird die Last um angehoben. Damit entsteht ein rückwirkendes Drehmoment mit der beschleunigenden Kraft
Das Drehmoment Mdrill wird in eine gegenläufige Drehbewegung umgesetzt. Resultat ist eine Torsionsschwingung, die durch folgende Differentialgleichung beschrieben wird.
ΘLc ist das Trägheitsmoment bei Rotation des Effektors um die Drehachse, ΘUc ist das Trägheitsmoment bei Rotation der Unterflasche um die Drehachse, Mc ist die Rückwirkung des antreibenden Drehmomentes des Antriebs der Drehachse auf den Verdrillungswinkel γdrill. In Abhängigkeit von der Beschleunigung der Drehachse ist das antreibende Moment
Gl. 4 wird nun linearisiert, indem sinφ ≈ φ1drill. Damit erhält man die folgende Bewegungsgleichung Eq. 4 is now linearized by sinφ ≈ φ 1drill . This gives the following equation of motion
Um einen Regler zu entwerfen, der die beim Drehen der Last zwangsläufig auftretenden Torsionsschwingungen unterdrückt, wird die Differentialgleichung Gl. 7 in die Zustandsraumdarstellung überführt. Als Zustandsgrößen werden der Verdrillungswinkel, die Winkelposition der Drehachse sowie deren Ableitungen definiert. Damit erhält man das folgende Zustandsraummodell:
Eingangsvektor: Input vector:
-
u c = c .. = c ..soll u c = c .. = c .. soll
Ausgangsmatrix der Regelgröße:Output matrix of the controlled variable:
-
C c = [1 1 0 0] C c = [1 1 0 0]
Ausgangsvektor der Regelgröße:Output vector of the controlled variable:
-
y c = γ y c = γ
Ausgangsmatrix der Meßgröße: Output matrix of the measured quantity:
Ausgangsvektor der Meßgrößen: Output vector of the measured quantities:
Die Dynamik der Antriebseinheit der Drehachse wird vernachlässigt. Damit kann als Eingangsvektor des Systems anstatt der Soll-Beschleunigung der Drehachse die Beschleunigung der Drehachse verwendet werden. Der Eingangsvektor der Systembeschreibung ist zugleich Ausgangsgröße des im folgenden hergeleiteten Reglers.The dynamics of the drive unit of the rotation axis is neglected. Thus, as the input vector of the system instead of the target acceleration of the axis of rotation, the acceleration of the axis of rotation can be used. The input vector of the system description is also the output variable of the subsequently derived controller.
Als Meßgrößen liegen die absolute Drehwinkelgeschwindigkeit und die Winkelposition der Drehachse vor. Die Drehwinkelgeschwindigkeit wird mit einem Gyroskopsensor erfaßt. Da dessen Meßwert durch Drift und Offset verfälscht ist, muß ein Störbeobachter die Meßdatenauswertung unterstützen. Die Position der Drehachse wird mit einem Absolutencoder erfaßt. Die Drehwinkelgeschwindigkeit der Drehachse wird durch reales Differenzieren gebildet.The measured variables are the absolute rotational angular velocity and the angular position of the rotational axis. The rotational angular velocity is detected by a gyroscope sensor. Since its measured value is corrupted by drift and offset, a disturbance observer must support the measurement data evaluation. The position of the rotation axis is detected with an absolute encoder. The rotational angular velocity of the rotation axis is formed by real differentiation.
Für den nun folgenden Entwurf von Vorsteuerung und Zustandsregelung wird die Modelldarstellung nach Gl. 8 und Gl. 9 um die Aufschaltung des Führungsgrößenvektors w c, über die Vorsteuerungsmatrix S c und die Zustandsrückführung über die Reglermatrix K c erweitert. Damit erhält man
Vorsteuerungsmatrix:Pilot control matrix:
-
S c = [KVc0 KVc1 KVc2 KVc3 KVc4] (11) S c = [K Vc0 K Vc1 K Vc2 K Vc3 K Vc4 ] (11)
Reglermatrix: Knob Matrix:
-
K c = [kc1 kc2 kc3 kc4] K c = [k c1 k c2 k c3 k c4 ] -
wobei
c ..soll,rück = –K c x c und c ..soll,vorst = S c w c c .. soll, back = - K c x c and c .. soll, vorst = S c w c
Zusammenfassend läßt sich die folgende Gesamtstruktur der Steuerung der Drehachse darstellen (
Das Achsreglermodul besteht aus dem Vorsteuerungsmodul
Im folgenden werden nun die Module
Der Zustandsregler
Die gewünschte Dynamik des geregelten Systems wird über das Poynom vorgegeben. Die rci sind so zu wählen, daß das System stabil ist, die Regelung hinreichend schnell bei guter Dämpfung arbeitet und die Stellgrößenbeschränkung bei typischen auftretenden Regelabweichungen nicht erreicht wird. Werden die Gleichungen Gl. 12 und Gl. 13 gleichgesetzt, so ergeben sich die zu bestimmenden Reglerverstärkungen kc1 bis kc4 zu The desired dynamics of the controlled system is via the Poynom specified. The r ci should be chosen so that the system is stable, the control operates sufficiently fast with good damping and the manipulated variable limitation is not reached for typical occurring control deviations. If the equations Eq. 12 and Eq. 13, the controller gains k c1 to k c4 to be determined result
Abhängige Systemparameter in den Reglerverstärkungen kc1 bis kc4 sind die Variablen der Lastmasse mL, des diagonalen Abstands der Tragseile dc, der Seilänge lS, des Trägheitsmoments bei Drehung um die Hochachse für das Lastaufnahmemittel ΘLc, und die Unterflasche ΘUc. Von diesen sind die Größen mL, lS, ΘLc veränderlich. Die Seillänge lS und die Lastmasse mL liegen als Meßgrößen vor. Damit kann das Trägheitsmoment ΘLc, unter der Annahme homogener Massenverteilung näherungsweise aus der Lastmasse mL über die geometrischen Abmessungen der Gitterbox abgeleitet werden. Resultierend läßt sich damit das Trägheitsmoment ebenfalls auf die Veränderung der Lastmasse zurückführen. Die veränderlichen Parameter bei der adaptiven Nachführung der Reglerverstärkungen sind damit die Lastmasse mL und die Seillänge lS. Die Struktur des Zustandsreglermoduls ist nochmals in
Im folgenden soll nun der Entwurf des Vorsteuerungsmoduls
Zunächst wird die Übertragungsfunktion hergeleitet. Die Auswertung von Gl. 15 führt auf eine Übertragungsfunktion mit Nennergrad entsprechend der Systemordnung von n = 4.First, the transfer function derived. The evaluation of Eq. 15 leads to a transfer function with denominator degree according to the system order of n = 4.
Aufgrund des Nennergrads 4 von Gl. 16 ist eine Aufschaltung bis zum Grad 4 vorzusehen. Für die Vorsteuerung selbst ergibt sich deshalb nach Auswertung von Gl. 10 bzw. 11 und Transformation in den Frequenzbereich das folgende Übertragungsverhalten.Due to the
Damit erhält man die folgende Gesamtübertragungsfunktion: This gives the following total transfer function:
Zur Berechnung der Verstärkungen KV0 bis KV4 sind aufgrund des Grades 4 des Nennerpolynoms in Gl. 16 lediglich die Koeffizienten b4 bis b0 und a4 bis a0 von Interesse. Ideales Systemverhalten bezüglich Position, der Geschwindigkeit, der Beschleunigung, des Ruckes und ggf der Ableitung des Ruckes ergibt sich genau dann, wenn die Übertragungsfunktion des Gesamtsystems aus Vorsteuerung und Übertragungsfunktion in ihren Koeffizienten bi und ai den folgenden Bedingungen genügt: For the calculation of the gains K V0 to K V4 , due to the
Nach Auswertung analog zu Gl. 7–17 erhält man damit für die Vorsteuerungsverstärkungen After evaluation analogous to Eq. 7-17 is thus obtained for the pilot control gains
Die Ausdrücke nach Gl. 20 zeigen, daß für die adaptive Nachführung der Verstärkungen in der Vorsteuerung die Systemparameter mL, dc, lS, ΘLc und ΘUc zu berücksichtigen sind. Wie beim Zustandsreglermodul wird homogene Massenverteilung angenommen und das Trägheitsmoment ΘLc näherungsweise aus der Lastmasse und den geometrischen Abmessungen der Gitterbox berechnet. Die veränderlichen Parameter bei der adaptiven Nachführung sind damit die Lastmasse mL und die Seillänge lS. Die Struktur der Vorsteuerung ist in
Zur Messung der absoluten Winkelgeschwindigkeit der Last ist auf dem Lastaufnahmemittel ein Gyroskopsensor installiert. Das Meßsignal des Sensors ist aufgrund des Meßprinzips mit einem erheblichen Offset überlagert. Der Offset auf dem Meßsignal verursacht Positionsfehler der Regelung bei der Orientierung der Last. Daher wird in einem Störbeobachter der Offsetfehler geschätzt und kompensiert. Dazu wird als Störgröße der Offsetfehler
Die Zustandsraumdarstellung des Teilmodells für die Drebachse nach Gl. 8 und Gl. 9 wird um das Störmodell erweitert. Im vorliegenden Fall wird ein vollständiger Beobachter hergeleitet. Die Beobachtergleichung für das modifizierte Zustandsraummodell lautet demnach: wobei in Ergänzung zu Gl. 9 die folgenden Matrizen und Vektoren eingeführt werden.The state space representation of the submodel for the Drebachse according to Eq. 8 and Eq. 9 is extended by the fault model. In the present case, a complete observer is derived. The observer equation for the modified state space model is therefore: in addition to Eq. 9 the following matrices and vectors are introduced.
Zustandsvektor: State vector:
Eingangsmatrix: Input matrix:
Systemmatrix: Matrix:
Störbeobachtermatrix: Störbeobachtermatrix:
Beobachterausgangsmatrix: Observers output matrix:
Für den Entwurf des Beobachters wird das System nach Gl. 23 in die Beobachtungsnormalform transformiert. In Beobachtungsnormalform wird über Polvorgabe der Beobachter entworfen und anschließend das System wieder zurück transformiert. Dabei werden die Pole rcz1,2 und rcz3,4 mit einer Vielfachheit von zwei gewählt und der Pol rcz5 mit einer Vielfachheit von eins. Die Störbeobachtermatrix für den Störbeobachter
Mit der Darstellung nach Gl. 24 liegt wiederum ein analytischer Ausdruck in Abhängigkeit der Systemparamter mL, dg, lS, ΘLc vor. Für die Adaption des Störbeobechters
Aus den Meßgrößen der Position der Drehachse c und der Drehgeschwindigkeit γ . des Lastaufnahmemittels wird über den Störbeobachter der Offsetfehler
Nachdem im vorangegangenen die einzelnen Teilmodule
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R020 | Patent grant now final |
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